水温对透水沥青混合料力学性能的影响

张海涛，郭志超，刘作强

(东北林业大学 土木工程学院， 哈尔滨 150040)

0 引言

相比于传统沥青混合料，透水沥青混合料(PAC-13)具有良好的排水、降噪和抗滑等功能，因此被广泛应用到高速公路和城市道路的建设中。透水沥青混合料具有较大的孔隙，雨水可以快速渗入路表中，并通过路面边缘和排水设施快速排出，因而有效保证了雨天行车安全[1]。透水沥青混合料是典型的大孔隙骨架结构，且其内部存在一定的连通孔隙，这对透水沥青混合料承受行车荷载产生不利影响；而且在实际应用中，残留在孔隙内部的水分在行车荷载作用下，产生渗透压力和膨胀压力，进一步扩大了混合料的孔隙，加速了沥青在集料表面的剥落，最终产生路面病害[2]。因此，在保证透水沥青混合料力学性能的同时使其兼具良好的水稳性能是当下研究的热点。

Pan等[3]发现混合料的水稳定性与集料级配、沥青种类、成型方法有关。此外相比于基质沥青混合料，改性沥青混合料的水稳定性更佳；余海游[4]发现SBS改性沥青与石灰岩之间的抗剥落能力较强，且掺加消石灰和生石灰能明显改善混合料的水稳定性；雷鹏群[5]通过Abaqus软件对重荷载条件下的排水沥青路面开展研究，发现掺加纤维可以提高混合料的内部稳定性；李兆生等[6]研究了冻融对沥青混合料力学性能的影响特性，发现冻融循环作用增大了沥青混合料的高温稳定性对应力水平的敏感性；于立泽等[7]研究发现排水沥青混合料的力学与排水性能呈负相关关系，并且其力学和排水性能均随着集料公称最大粒径的增大而提高。

综上所述，目前对于透水沥青混合料水稳定性的研究主要集中在沥青种类、外加剂比例对混合料水稳定性的影响，以及冻融循环作用对沥青混合料孔隙率和疲劳性能的影响等。本研究选用90#SBS沥青和高粘改性沥青，针对PAC-13开展劈裂试验，冻融劈裂试验以及浸水马歇尔试验，以确定透水沥青混合料水温稳定性的主要影响因素，同时以AC-13作为对比研究。通过数字图像技术获取PAC-13的细观结构，结合宏观试验综合分析水温对于沥青混合料的损伤机理，为解决透水沥青混合料在实际工程中的水温稳定性问题提供理论基础。

1 沥青混合料组成设计

1.1 沥青

试验采用90#SBS改性沥青和高粘改性沥青，其技术指标如表1所示。

表1 沥青的技术指标

1.2 集料

试验采用的粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂，矿粉亲水系数为0.6。表2为试验采用集料的技术指标。

表2 集料的技术指标

1.3 纤维稳定剂

玄武岩石质纤维具有良好的耐酸、耐碱和耐高温等性能，能显著提高透水沥青混合料的力学性能和高低温稳定性。研究采用在PAC-13中掺入0.3%的玄武岩石质纤维，其技术指标列于表3。

1.4 沥青混合料设计

本研究以PAC-13沥青混合料为研究对象，根据《透水沥青路面技术规程》(CJJT190-2012)[8]的相关要求，进行目标孔隙率和级配设计。综合考虑强度和排水性能要求，将PAC-13的目标孔隙率设置为20%，同时对AC-13进行对比分析研究，设计级配如图1所示。通过马歇尔配合比设计可得，PAC-13和AC-13的最佳沥青用量分别为4.7%和4.8%。

图1 级配曲线

2 水温对沥青混合料力学性能影响

沥青路面早期水损坏已经成为我国沥青路面最常见的病害之一，对于沥青路面水损坏问题，学者们进行了大量的研究，取得了丰富的理论成果[9]，基于此，本研究在之前研究基础上，进一步开展水温对沥青混合料力学性能的影响研究。选用高粘沥青和SBS改性沥青，通过劈裂试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，研究不同温度、冻融循环和热水浴3种水温作用下透水沥青混合料的力学性能变化规律。

2.1 劈裂试验与冻融劈裂试验

采用不同温度以及冻融循环2种水温状态来模拟路面实际环境，分别采用劈裂强度，劈裂强度比TSR作为评价以上2种水温状态下沥青混合料的水温稳定性指标。

1) 选用图1中的2种级配，分别用SBS改性沥青和高粘改性沥青制备马歇尔试件。每个级配制备15个试件并随机分成3组，每组5个，分别测试沥青混合料在10、20和30 ℃下的劈裂强度。

2) 同1)，制备成型上述2种级配的试件，每个级配20个试件并随机4组。前3组分别进行1次、3次和5次的冻融循环，第4组不进行冻融。将冻融循环后的3组试件与第4组试件同时放入25 ℃的恒温水浴箱中保持2 h，并在25 ℃下进行试件的劈裂试验。劈裂抗拉强度按照式(1)和式(2)计算，冻融劈裂强度比按照式(3)计算。

RT1=0.006 287PT1/h1

(1)

RT2=0.006 287PT2/h2

(2)

式中：RT1和RT2分别为未经冻融循环和经历冻融循环后试件的劈裂抗拉强度，MPa；PT1和PT2为试验荷载数值，N；h1和h2为试件的高度,mm。

(3)

式中:TSR为冻融劈裂强度比，RΤ2为冻融循环后试件的劈裂强度,MPa；RΤ1为未经冻融循环试件的劈裂抗拉强度,MPa。

试验1)中不同温度下沥青混合料的劈裂强度如图2所示。

图2 不同试验温度下沥青混合料劈裂强度

由图2可知，2种级配沥青混合料在SBS改性沥青和高粘改性沥青下的的劈裂强度都随温度的升高呈现降低趋势，并且相关系数R2为0.97～0.99，初步表明沥青混合料的劈裂强度和温度之间具有一定线性相关性。通过图2还可以看出，高粘沥青制备的2种沥青混合料劈裂强度，都明显优于SBS改性沥青。

试验2)中经不同冻融循环次数后的沥青混合料劈裂强度和孔隙率如表4和图3所示。

表4 各冻融循环次数下沥青混合料的劈裂强度与孔隙率

图3 不同冻融循环次数下沥青混合料的劈裂强度与TSR

根据上述结果可知：

1) 2种级配沥青混合料的劈裂强度都随冻融循环次数增加而逐渐降低，这与沥青混合料的孔隙率随冻融循环次数变化的趋势相符。其原因是因为冻融循环的试件先后经历真空饱水，冻融和热水浴3个阶段。水分在真空饱水期间渗透到沥青与集料的粘结面上，一方面降低了沥青对石料的粘附性，另一方面水分对沥青起到一定的乳化作用，从而降低了混合料强度。而冻融和热水浴，进一步促进沥青的乳化和粘附性的降低，从而导致混合料的强度随着循环次数的增加不断降低，并且相关系数R2处于0.94～0.99，初步表明沥青混合料的劈裂强度和冻融循环次数有一定的线性相关性。换言之，沥青混合料的劈裂强度随水温作用时间而不断降低。

2) 冻融循环作用下，PAC-13沥青混合料劈裂强度都低于AC-13劈裂强度。这是由于AC-13沥青混合料属于密集配类型，空隙率低，水分很难进入到沥青混合料内部，所以冻融对AC-13的内部影响较小，损坏更多发生在混合料的表面而不是内部，从而保证了较高强度。而PAC-13沥青混合料属于大孔隙排水结构，水分很容易进到混合料内部并渗透到沥青与集料的孔隙之间，导致沥青与集料的粘附性降低。而进入混合料内部的水分，由于冻涨作用，对周围的混合料产生挤压作用从而贯通部分孔隙，因此相比于AC-13，PAC-13的空隙增长率更大，所以冻融下PAC-13的强度低于AC-13。

3) 从沥青类型来看，高粘改性沥青混合料TSR数值明显高于SBS改性沥青混合料。以PAC-13为例，经1次冻融作用后，SBS沥青混合料TSR数值为90%，而高粘沥青混合料为92.2%，是前者的1.024倍；在3次冻融后，后者是前者的1.127倍；5次冻融后为1.15倍，说明相比于SBS沥青，高粘沥青混合料具有更好的水温稳定性。分析原因，这是由于沥青强度来源于石料之间的嵌挤以及沥青与集料之间的粘聚力，观察劈裂后的试件，破坏多发生在空隙较大处，孔隙较大处沥青与集料的粘附性更易受到水温破坏，使用高粘度改性沥青，可以显著提高沥青的粘聚力以及沥青与集料之间的粘附性，从而提高混合料的强度。说明高粘沥青可以明显改善混合料的水温稳定性。

2.2 浸水马歇尔试验

残留稳定度是评价沥青混合料水稳定性的重要指标。为研究不同水温以及作用时间对混合料性能的影响，针对PAC-13,设置20、40和60 ℃ 3种水浴温度，将同一沥青制备的混合料试件分成 2组，一组马歇尔试件放在某一温度水中保持 0.5 h，另一组马歇尔试件放在同温度水中保持48 h，分别测定其马歇尔稳定度，然后按照式(4)计算此水温下的残留稳定度。

(4)

式(4)中：MS残-T为T温度下混合料试件的稳定度，%；MS0.5-T和MS48-T分别为T温度下浸水 0.5 h和48 h后的马歇尔稳定度。

试验结果如图4和图5所示。

图4 浸水马歇尔稳定度

图5 残留稳定度

根据上述结果可知：

1) 沥青混合料的稳定度随着温度的升高而逐渐降低，并且相关指数介于0.96～0.99，表明沥青混合料马歇尔稳定度和温度之间有一定的线性关系。

2) 同一种沥青混合料试件，浸水48 h的马歇尔稳定度数值明显低于同温度浸水0.5 h状态下稳定度数值，说明马歇尔稳定度随着浸水时长的增加而降低；此外，混合料的残留稳定度随着水浴温度的升高而加速降低，说明高温水浴会加速混合料的水损坏。

3) 高温浸水状态下，高粘沥青混合料能更好的保持水温稳定性，比如60 ℃水浴下，高粘沥青混合料试件残留稳定度为0.79，而SBS沥青试件残留稳定度为0.71。说明相比于SBS改性沥青，高粘沥青更适用于高温雨多地区的沥青路面。

综合劈裂试验和马歇尔稳定度试验，得出如下结论：

1) 沥青混合料的力学性能随着温度的升高而降低；

2) 水温作用时间越久，混合料的性能衰减越严重；大孔隙路面的力学性能降低更明显；

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3) 高温会加速沥青混合料的水损坏；

4) 高粘沥青更适用于高温多雨气度，有良好的水温稳定性。

3 图像采集与细观结构分析

3.1 试件处理与图像采集

采用高粘沥青PAC-13，制备15个试件随机分成3组，一组不做处理，一组进行一次冻融循环试验，最后一组试件进行60 ℃水浴48 h处理。用CDD工业相机采集各组断面图像，并从每组图像中随机抽取一副进行数字图像处理分析。通过Matlab数字图像处理技术，采用最大类方差值法对全局阈值进行图像分割[10]，阈值分割原理可表示为：

(5)

x=φ1x1+φ2x2

(6)

式(5)中，F(x,y)是分割后的图像；g(x,y)是分割前的图像；T是阈值。X为图像总平均灰度；φ1和φ2分别是前景图案中有效点数占比和背景图案有效占比，x1和x2分别为前景和背景的平均灰度。

当类间方差值G=φ1(x-x1)2+φ2(x-x2)2达到最大时，前景和背景差别最大，生成的图像效果最好[11]，能更加清晰地反映出混合料细观结构的空隙特征以及集料之间的嵌挤程度。阈值处理后的断面图如图6所示。

图6 阈值处理后的断面

3.2 细观结构特征分析

表5 孔隙特征值

图7 沥青混凝土孔隙类型

从图8可知，PAC-13试件在热水浴48 h后，在原本的孔隙周围增加了一些微小的孔隙，分析原因，这是有热水浴作用下，沥青变软粘性降低，水在高温作用下加速侵蚀，进入到沥青与集料表面薄膜处，进一步降低了沥青与石料之间的粘附性，导致部分沥青从石料表面剥落，在产生新的微小孔隙的同时，增加孔隙面积。而经过冻融循环作用的试件，由于低温情况下水的冻结是由外向内，内部冻结的水分无法冲破外试件外部的冰封层，所以水冻涨压力作用到混合料内部，贯通一些孔隙的薄弱位置，而当热水浴融化时，水流渗透到这些薄弱处，加速沥青从集料上剥落，进一步增加孔隙长度和面积等。对图8中3种状态下混合料孔隙形态进行对比，热水浴后试件新增的一些微小孔隙以及冻融循环后原孔隙周围的细小连通孔隙，与表5中孔隙特征值相符，更加充分阐述了水温对沥青混合料细观结构的影响。

4 结论

1) 水温作用会对沥青混合料的力学性能造成一定程度的损伤，并且沥青混合料的力学性能与水温作用时间以及温度呈线性负相关关系。此外，同种沥青制备的混合料试件，PAC-13的水温稳定性低于AC-13，说明水温作用对大空隙的透水沥青路面影响更大。

2) 高粘改性沥青制备的混合料试件水温稳定性优于SBS沥青制备的试件，在高温多雨地区，更适宜采用高粘改性沥青铺筑路面。

3) 获取PAC-13在3种水温状态下的断面图像，利用阈值分割处理以及Image-Pro plus软件的图像分析技术，获取了各状态下PAC-13的孔隙特征值，并提取孔隙形态，更加充分阐述了水温对沥青混合料细观结构的影响。